嵌入式工程机械监控器系统的设计与实现

韩超 强伟 唐正飞

摘要：文章主要针对嵌入式工程机械监控器系统进行研究与分析，解析嵌入式工程机械监控系统的4层模型，并在此基础上详细解析嵌入式工程机械监控器系统设计的整体构架。

关键词：嵌入式；工程机械监控器；系统设计

1 嵌入式工程机械监控系统的4层模型

基于嵌入式工程机械监控系统的设计中主要分为4个层次，如图1所示，由工程机械控制器、监控器以及工程机械GPS定位系统和远程监控系统构成。本文提出的监控系统中充分利用了计算机检测技术、卫星定位技术以及无线通信技术等，通过这些新技术的运用能够对施工进度以及施工机械运行状态进行实时监控，结合通信技术将检测结果进行传递，由监控中心进行数据统计分析与整合。相关工作人员作为系统一部分，可以实现和远程监控中心的对接，反馈施工现状，同时监控中心的专家也能够进行远程指导。下面就基于嵌入式工程机械监控系统的层次进行解析。

1.1 工程机械控制器

如图所示，是嵌入式工程机械监控系统的最基础部分，主要由各个控制系统构成，包括安全监控系统、发动机电子控制单元（Electronic Control Unit， ECU）系统等。在工程机械控制器的各个控制系统之间，系统本身独立控制，但不同系统之间又能够相互联系协调实现工程机械控制功能。同时，不同控制系统之间互相配合、数据互通，接受上层监控系统的控制。

1.2 工程机械监控器和工程机械GPS系统

嵌入式工程机械监控系统中的工程机械监控器以及工程机械GPS系统处于整个系统的中间层，具有承接工程机械控制器和远程监控系统的功能。工程机械监控器主要利用了机载前端主机，通过人机交互装置实现功能的。工程机械GPS系统采用了GPS技术以及GPRS无线传输技术[1]。通过中间层系统最终实现了对最底层控制系统的实时监控，能够及时发现系统故障并给出报警，在控制中心就可以实现监控与维护等功能，出现不能远程控制解决的故障时，还可以通过控制中心根据故障状况给现场工作人员指导。

1.3 远程监控系统

作为整个嵌入式工程机械监控系统的顶层，主要由结构化查询语言（Structured Query Language，SQL）信息管理系统以及网络服务中心构成，还引入电子地图模块。由于网络服务中心的引入，用户在远端就能够了解工程机械的实时状况，在数据库中进行存储，同时能够根据故障信息和数据库中已有故障信息进行匹配，提供远程专家帮助解决故障问题。

2 工程机械控制器

2.1 安全监控系统

在安全监控系统中引入了嵌入式微处理器，而且以此为核心。结合传感器来对工程机械现状的各项运行参数进行监控，比如起重机吊臂长度、压力等，对于采集到的数据进行模拟和计算。比如在起重机中可以利用传感器来知道起吊重物的质量，并和起重机的额定所吊重物质量进行比对和智能控制。当出现超负荷工作的时候，安全监控系统会及时作出反馈，诊断故障，给出应急措施。

2.2 计算机电液比例控制系统

在当前现代控制工程当中，电液比例控制技术是基本构成技术之一，尤其是近10年来得到迅速发展，成为当前工程控制设备和电子技术的桥梁。电液比例控制系统也是在传统电液伺服技术的基础上发展起来的，目前由于节能、可靠等优越性在众多领域得到应用[2]。以起重机为例，计算机电液比例控制系统中能够根据手柄输入的电信号进行接收和分析，在分析的基础上对起重机的吊臂进行控制，做出各种动作。结合控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线实现和中间层的连接以及数据交换、故障诊断等。

2.3 电子节能控制系统

电子节能控制系统基于一定前提进行的，结合液压系统，将该系统中的压力作为系统判断的信号来分析机械的实际工作状态。嵌入式微处理器能够结合实际工作状态进行工程机械的处理，控制发动机的科学准确运行，满足生产要求的基础上最大限度的实现节能[34]。目前电子节能控制系统的功能实现主要包括分工况节能控制、短期超载控制、自动怠速控制、溢流控制。

2.4 发动机ECU系统

该系统实际是发动机电子控制单元系统，发动机电子控制单元系统的主要功能是最大限度地改善发动机运行，提高其经济性，同时减少汽车尾气中有害物质的排放，提高其环保性；通过发动机ECU系统还能够最大限度地保证机械发动机的动力性。在目前的工程中应用的机械设备大多是柴油发动机，因此在利用发动机ECU系统进行控制的时候主要控制的是燃油定量和喷油定时问题，该系统主要由ECU和传感器构成。传感器在检测到各种信息之后，能够传递到电子控制单元进行信息的处理，处理之后通过执行器传递给发动机进行动作。在当前发动机技术迅速发展与提高，对于电子控制单元信息处理量以及处理速度也提出了更高的要求。

2.5 其他控制系统

在嵌入式工程机械监控器系统中，要想实现监测控制功能，不仅仅需要上述几个系统，还需要引入其他控制系统。本设计中引入了功率分配控制系统等，希望能够进一步提高工程机械监控器系统的控制水平。

3 工程机械监控器

工程机械监控器对于整个工程机械而言，属于中间层，能够承接顶层的远程监控中心，而且能够承接底层的工程机械控制器。通过CAN总线将前端的控制系统和底层的控制系统连接起来，从而可以实时采集工程机械实时运行状态，也能够及时发现工程机械运行中的故障和潜在的故障[5]，针对发现故障问题给出报警信息，另外可以联合人机交互装置来发出指令，实现不同系统的控制。嵌入式微处理器作为机载前端监控系统的核心组成部分，直接决定着机载前端控制系统的功能，在当前采用的嵌入式微处理器主要是8位和16位的，已经不能适应工程机械监控的要求，基于ARM的32位嵌入式微处理器成为未来嵌入式工程机械监控器系统的发展潮流。机载前端监控系统的主要功能有：工程机械作业状态信息采集功能、人机交互功能、数据处理功能。

4 工程机械GPS定位系统

在嵌入式工程机械监控系统中引入GPS技术的主要目的是能够获取工程机械的地理位置信息，将GPS模块嵌入系统当中采用串口连接的方式，定时向系统发送位置信息。在当前技术的应用中采用美国NMEA0183 ASC II码来传递位置的经纬度以及工程机械运行速度等各种信息，串口处理程序接收到这些信息之后，能够对信息进行处理解读得到经纬度信息，并将系统通过GPRS无线传输模块进行信息传递，远程实现和控制中心的通信。

5 远程监控中心

远程监控中心作为嵌入式工程机械监控器系统的一个核心，能够将制造n设计单位以及不同地點的各种信息有机集合起来的，在繁杂的信息基础上需要实现信息的全面处理以及资源的有效利用，就必须要加强有效的远程服务与调度建设，通过远程监控中心实现这一功能。对工程机械机群合理的调度，最终能够提高整个工程机械的作业效率。

6 结语

随着工程机械的发展必须要加强智能控制系统的建设，在智能控制系统中的关键时候控制器。新兴的嵌入式技术开始得到发展，并且在传统工业中进行改革与应用，目前嵌入式技术将32位处理器作为核心，同时综合运用了传感器技术、信息技术以及通信技术、GPS技术等高科技手段，来促进工程机械监控系统的建设与发展。

[参考文献]

[1]孙晓星.智能化工程机械通信定位系统分析[J].数字通信世界，2018（2）：14， 22.

[2]魏敬成，陈秀生，倪林，等.基于物联网技术的工程机械监控系统设计[J].中国工程机械学报，2014（4）：364-366， 371.

[3]汤荣秀，韩春贤嵌入式文件系统在工程机械监控器上的移植[J].单片机与嵌入式系统应用，2013（7）：25-27.

[4]孟郁金.嵌入式工程机械监控器系统的开发与研究[J].才智，2012（34）：55.

[5]何银菊，黄运生，何爱.基于CAN总线的分布式工程机械监控系统设计[J].自动化技术与应用，2012（1）：80-83， 92.